空间太阳能开始走向人间
时间：2020-12-10 00:01:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
随着一纸供电协议的签署，被列为“未来七大工程奇迹”之一的空间太阳能技术已经悄然迈入现实。在国外对空间太阳能电站的研究进行了几十年之后，中国制定了发展空间太阳能的路线图：今年启动关键技术研究，2050年实现商用
在赤道上方高远的地球静止轨道，环绕着晶莹闪耀的太阳能电池板带，它们充分地吸收阳光，全天候地从36000公里以外的太空，以微波的形式连续不断地向地球输送电力。这听起来像是最近流行的科幻小说《三体》里的情节，但实际上已离我们并不遥远——再过5年，美国旧金山及北加利福尼亚地区的部分居民即有望率先用上来自太空的电能。
今年4月，美国太平洋天然气及电力公司(PG&E)同意从2016年起，向Solaren公司购买200兆瓦的电力。Solaren公司的特别之处在于，他们将把太阳能电池板发射到地球轨道上，再将其生成的能量传送至位于加州弗雷斯诺的电站，并最终输入到常规电网。
尽管航天器和卫星经常使用太阳能电池板为自身提供能量，但大规模开发太空太阳能，并将其传输到地球上，却是个新奇而令人兴奋的想法。虽然空间太阳能技术被列为“未来七大工程奇迹”之一，但是Solaren公司的最新尝试却令人感到，这项属于未来的技术已在现实中悄然迈开脚步。
40年前的构想，40年后的预期
理论上计算，在阳光充足的地球静止轨道上，每平方米太阳能能产生1336瓦热量。如果在这一区域部署一条宽度为1000米的太阳能电池阵环带，假定其转换效率为100% ,那么，它在一年中接收到的太阳辐射通量差不多等于目前地球上已知可开采石油储量所包含能量的总和。
相对于地面太阳能光伏发电，空间太阳能发电具有明显的效率优势。中国空间技术研究院副院长李明研究员表示，由于太空中无空气效应，且可以24小时正对太阳照射角度，因此其发电效率几乎相当于地面太阳能光伏设备的5～6倍。
实际上，利用太空中的太阳能并非是近几年出现的新构想。早在1968年，美国科学家彼得·格拉赛就提出了空间太阳能电站的原型。它实际上是一个太阳能发电卫星(SPS），由大型聚光面镜、大面积太阳能电池阵和微波发射器等组成。
格拉塞的这一设想在当时很快引起了美国航空航天局（NASA）的兴趣。1970年代，NASA投入了大量经费进行研究，并提出了“1979 SPS基准系统”方案。该系统由60个5吉瓦的卫星组成，设计容量共300吉瓦，可满足美国三分之二的电力需求。
然而，由于当时技术条件尚不成熟，再加上成本昂贵——预算高达2750亿美元，该项目最终不了了之。NASA空间太阳能项目前主管、国际宇航学会第3委员会主席约翰·曼金斯分析说，导致这一计划落空的另一个原因是，NASA的主业是空间探索，向地球提供能量并不属于该机构的使命。
“9·11”事件后，反恐战争改变了美国的国家安全战略，空间太阳能电站技术再次成为关注的重点。资料显示，在过去30年里，美国共耗资8000万美元对空间太阳能发电概念进行研究。
除了美国，日本与欧盟也早已展开了对该领域的探索。2009年，日本宣布以三菱公司为主的集团将在2030～2040年间建设世界第一个吉瓦级商业SPS系统，总投资额将超过200亿美元。而欧盟则提出了“太阳帆塔”计划，该计划主要采用一种可展开的轻型结构——太阳帆。其中每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150米×150米，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器转移至地球同步轨道。
国外对空间太阳能电站的研究已进行了几十年，估计到2030年，空间电力产业将进入商业化阶段。面对此发展态势，中国的很多专家都认为，如果再不迎头赶上，就将被美、日等国家远远地甩在后边。
在去年8月的空间太阳能电站发展技术研讨会上，12位两院院士与100多位业内专家经过讨论，拿出了中国发展空间太阳能的路线图，并制定了详细的“分四步走”战略。根据该方案，中国将从2011年起启动对空间太阳能电站关键技术的研究，在2030年发射空间太阳能电站的“测试版”系统，并在2050年实现商用。
对此，北京科技大学材料科学与工程学院教授张迎春对《中国新闻周刊》表示，目前，以中国空间技术研究院为主的一些科研机构已经开展了实际的研究。
庞大的系统工程
空间太阳能电站的电能传输有两种技术路线。在Solaren公司的计划中，是用微波来传输能量。该公司CEO加里·斯皮纳克表示，这一过程使用的技术实际上是基于通信卫星技术，因而目前已相当成熟；而另一方面，微波传送过程中的能耗也低于地球上传输电缆的能耗。
而日本的项目则是采用激光传输。张迎春对此解释说，虽然原理相同，但由于传输方式的不同，这两种类型的空间太阳能电站的结构完全不同。“激光传输的空间太阳能电站是将太阳能直接转化为激光，发射回地球，再转化为电能；而微波传输，则是把太阳能转化为电能，再将电能转化为微波，输送到地球后最终还原为电能。”两种技术路线相比较，激光会受到天气的影响，而微波技术则相对稳定，也更成熟一些。张迎春透露说，中国目前倾向于发展基于微波传输的空间太阳能电站。
无论哪种技术路线，都涉及到新材料的研发。基于激光的空间太阳能电站，需要有将太阳能转化为激光的介质。而对于微波传输系统来说，其核心材料是适用于太空的太阳能电池板。与用于地面的太阳能电池板相比，太空中的太阳能电池板需有防宇宙射线辐射的能力，有更高的发电效率，以及更长的使用寿命。“由于成本昂贵，空间太阳能电池板不能像在地球上一样，用个十几年就报废了，需要起码能使用30来年。而理想的发电效率在30%～40%。”张迎春说。
对于材料问题，Solaren公司副总裁凯尔·伯尔曼在接受《中国新闻周刊》电话采访时不愿透露具体的信息。但他表示，他们的“多卫星空间太阳能运行系统”已于2006年获得美国的“整系统专利保护”。
除了材料上的难题，建造空间太阳能电站更是一个涉及到多学科、庞大的系统工程，对现有的航天器技术提出了很大的挑战。首先是空间太阳能电站的规模更大，质量达到万吨以上，比目前的卫星高出4个数量级，需要采用新材料和新型运载技术；其次，它的面积延绵数公里以上，比目前的卫星高出6个数量级，需要采用特殊的结构、空间组装和姿态控制技术；此外，空间太阳能的功率也更大，为吉瓦级，比目前的卫星高出6个数量级，需要特别的电源管理和热控技术。
将来一旦空间太阳能电站开始运行，还会面临更多新的问题，比如，需采取相应措施对波束进行安全控制，解决空间太阳能电站对飞行器的影响，以及防止空间碎片可能对其造成损害等问题。
与未来“签约”
与技术相比，成本问题或许是制约空间太阳能电站发展更主要的因素。历史上，美国在该领域数次折戟，都与预算太高有关。据中国国内有关专家估算，建设一个空间太阳能发电站需要耗资3000亿至1万亿美元。以一个1吉瓦量级的空间太阳能电站为例，假设寿命为30年，总发电量大约为2400亿千瓦时，以目前的地面太阳能电价计算，其所获得的收益不超过400亿美元。
Solaren公司同样面临资金问题的困扰。据伯尔曼透露，尽管他们这套系统造价要远远低于以往的类似计划，但总共所需要的几十亿美元资金仍远远高于可再生能源项目通常所需的1亿至2亿美元投资。目前，Solaren与PG&E的协议刚刚经过加州公用事业管理局和加州能源局的许可，正在等待美国联邦政府的最终批准。所以，PG&G公司实际上尚未向Solaren注入资金。不过，伯尔曼表示，他们已经找到更大的投资者，愿意为此提供支持。
约翰·曼金斯则告诉《中国新闻周刊》，太空太阳能的电价，最初约为2～3美元，随着相关关键技术的突破，未来其电价成本应可以降至每度5美分～15美分。
而在张迎春看来，按照目前航天器的研制、发射成本，空间太阳能确实还无法与现有能源竞争。但若考虑到全球能源日益紧缺的局面，作为未来的战略能源，空间太阳能则不失为很好的选择。
他还补充说，除了从能源角度出发，发展空间太阳能也有军事上的考虑。空间太阳能电站虽然不具有特别的攻击能力，但作为一个大功率空间电源系统，可与其他军事技术结合成为攻击性武器。此外，空间太阳能电站可能用于军事设施的无线供电，从而充当间接的军事设施。
展望更为遥远的未来，张迎春描述了一幅颇具“科幻”色彩的场景：“人类探索太空的步伐会走得越来越远。而未来的空间太阳能电站，不仅可以设在地球静止轨道上，也可以设置在太空中的其他地方，作为人类太空飞行器的中途能源补给站。”
